JP3521366B2 - 分岐干渉光導波路型磁界センサ - Google Patents
分岐干渉光導波路型磁界センサInfo
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- JP3521366B2 JP3521366B2 JP14789595A JP14789595A JP3521366B2 JP 3521366 B2 JP3521366 B2 JP 3521366B2 JP 14789595 A JP14789595 A JP 14789595A JP 14789595 A JP14789595 A JP 14789595A JP 3521366 B2 JP3521366 B2 JP 3521366B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光を用いて磁界を検出
する光磁界センサに関し、特に分岐干渉型光導波路を用
いた光磁界センサに関する。
する光磁界センサに関し、特に分岐干渉型光導波路を用
いた光磁界センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、配電線等の電流を測定する方法
は、リング状の磁性体コアとホール素子、磁気抵抗素子
等の磁気検出素子を用い、磁界を検出し、電流値に換算
し出力する方法が一般的であるが、特に高電圧を取り扱
う分野では高い電気絶縁性と各種の電磁誘導性による妨
害を受けない等の要求により磁界センサが用いられるよ
うになっている。この方法は、光の進行方向に磁界が加
わると、光の偏光面が回転するファラデー効果を有する
ファラデー素子を用いて磁界を検出するものである。
は、リング状の磁性体コアとホール素子、磁気抵抗素子
等の磁気検出素子を用い、磁界を検出し、電流値に換算
し出力する方法が一般的であるが、特に高電圧を取り扱
う分野では高い電気絶縁性と各種の電磁誘導性による妨
害を受けない等の要求により磁界センサが用いられるよ
うになっている。この方法は、光の進行方向に磁界が加
わると、光の偏光面が回転するファラデー効果を有する
ファラデー素子を用いて磁界を検出するものである。
【０００３】さらに、微小電流または微小な磁界を高感
度に検出する必要性から、磁気複屈折効果を示す物質を
基板とし、その表面に形成した分岐干渉型導波路によっ
て構成される磁界センサが開発され、使われるに至って
いる。
度に検出する必要性から、磁気複屈折効果を示す物質を
基板とし、その表面に形成した分岐干渉型導波路によっ
て構成される磁界センサが開発され、使われるに至って
いる。
【０００４】ここで磁界複屈折効果とは光の進行方向に
対し垂直方向に磁界が印加された場合、磁界に平行な偏
光と垂直な偏光との間に位相を生じる効果であり、たと
えば、磁気複屈折効果を有する結晶から成る光導波路の
面内方向で、かつ、光進行方向に垂直に磁界を印加した
場合、ＴＭモードの偏光の位相がシフトすることにな
る。
対し垂直方向に磁界が印加された場合、磁界に平行な偏
光と垂直な偏光との間に位相を生じる効果であり、たと
えば、磁気複屈折効果を有する結晶から成る光導波路の
面内方向で、かつ、光進行方向に垂直に磁界を印加した
場合、ＴＭモードの偏光の位相がシフトすることにな
る。
【０００５】図５は、磁気複屈折効果を示す物質を基板
とした、従来の分岐干渉光導波路型磁界センサの一例を
示す。基板２０に上に、入力光導波路２１、そこから分
岐して結合した位相シフト光導波路２３および２４、お
よび上記２本の位相シフト光導波路が合流して結合した
出力光導波路２２が形成されている。入力光導波路２１
の入射端には入力光ファイバ２６が結合され、出力光導
波路２２の出力端には出力光ファイバ２７が接続されて
いる。ここで２本の位相シフト光導波路２３，２４の長
さは、互いに相違させている。
とした、従来の分岐干渉光導波路型磁界センサの一例を
示す。基板２０に上に、入力光導波路２１、そこから分
岐して結合した位相シフト光導波路２３および２４、お
よび上記２本の位相シフト光導波路が合流して結合した
出力光導波路２２が形成されている。入力光導波路２１
の入射端には入力光ファイバ２６が結合され、出力光導
波路２２の出力端には出力光ファイバ２７が接続されて
いる。ここで２本の位相シフト光導波路２３，２４の長
さは、互いに相違させている。
【０００６】図５において、入力光ファイバ２６からの
入射光は、入力光導波路２１に入射した後、位相シフト
光導波路２３と２４にエネルギーが分割される。磁界が
印加されると、その強度に応じて導波路における光の屈
折率が変化する。そのため２本の位相シフト光導波路２
３，２４を伝搬する光波間には印加磁界の大きさに応じ
た位相差が生じ、それらが合流する出力光導波路２２に
おいて干渉が生じ光強度が変化する。すなわち、出力光
ファイバ２７から出射する出力光の強度は、印加磁界強
度に応じて変化することになり、その光強度変化を光検
出器で測定することにより印加磁界の強度を測定でき
る。
入射光は、入力光導波路２１に入射した後、位相シフト
光導波路２３と２４にエネルギーが分割される。磁界が
印加されると、その強度に応じて導波路における光の屈
折率が変化する。そのため２本の位相シフト光導波路２
３，２４を伝搬する光波間には印加磁界の大きさに応じ
た位相差が生じ、それらが合流する出力光導波路２２に
おいて干渉が生じ光強度が変化する。すなわち、出力光
ファイバ２７から出射する出力光の強度は、印加磁界強
度に応じて変化することになり、その光強度変化を光検
出器で測定することにより印加磁界の強度を測定でき
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】印加される磁界強度と
磁界センサの出力光強度との関係を示す特性曲線は、図
１のＡに示されるように最大値と最小値をもつ周期関数
として表される。磁界センサは、特性曲線の最大値と最
小値の中点付近で最も感度が高く、かつ、直線性に優れ
るため、磁界強度の測定においてはこの部分を中心とし
て使うことが望ましい。
磁界センサの出力光強度との関係を示す特性曲線は、図
１のＡに示されるように最大値と最小値をもつ周期関数
として表される。磁界センサは、特性曲線の最大値と最
小値の中点付近で最も感度が高く、かつ、直線性に優れ
るため、磁界強度の測定においてはこの部分を中心とし
て使うことが望ましい。
【０００８】しかしながら、現実には、製作された磁界
センサの特性は、それぞれ相違している。光プローブの
製造過程における特性に及ぼす要因が多く、これらを厳
密に制御することが困難なためである。
センサの特性は、それぞれ相違している。光プローブの
製造過程における特性に及ぼす要因が多く、これらを厳
密に制御することが困難なためである。
【０００９】以下においては、検出の対象とする磁界を
印加しないときの、特性曲線上の点を動作点、特性曲線
上で光出力の最大値と最小値の中間における磁界をバイ
アス磁界という。
印加しないときの、特性曲線上の点を動作点、特性曲線
上で光出力の最大値と最小値の中間における磁界をバイ
アス磁界という。
【００１０】図１に示す特性曲線Ａの動作点ａは、出力
光強度の最小値に近いところにあり、バイアス磁界はｃ
である。有限のバイアス磁界がある磁界センサを用いて
磁界を検出するときには、常に計測された結果に補正を
加えない限り信頼できる磁界強度を知ることはできな
い。加えて、ａを動作点とした場合、特性曲線の直線性
が低い領域を使って検出することになる。そのため磁界
検出感度が低いのみならず、ダイナミックレンジが狭い
という不利益を余儀なくされる。
光強度の最小値に近いところにあり、バイアス磁界はｃ
である。有限のバイアス磁界がある磁界センサを用いて
磁界を検出するときには、常に計測された結果に補正を
加えない限り信頼できる磁界強度を知ることはできな
い。加えて、ａを動作点とした場合、特性曲線の直線性
が低い領域を使って検出することになる。そのため磁界
検出感度が低いのみならず、ダイナミックレンジが狭い
という不利益を余儀なくされる。
【００１１】本発明は、上記問題に鑑み、制御されたバ
イアス磁界を有する特性曲線の分岐干渉光導波路型磁界
センサを提供して、微小な磁界の検出を可能とし、感度
の向上を図るものである。
イアス磁界を有する特性曲線の分岐干渉光導波路型磁界
センサを提供して、微小な磁界の検出を可能とし、感度
の向上を図るものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、磁界複屈折効果を示す物質に形成された
入力光導波路、入力光導波路より分岐した２本の位相シ
フト光導波路、２本の位相シフト光導波路が合流して入
射する出力光導波路からなる分岐干渉型光導波路におい
て、２本の位相シフト光導波路のいずれか１本の位相シ
フト光導波路の近傍に永久磁石を設けた分岐干渉光導波
路型磁界センサを構成する。
に、本発明は、磁界複屈折効果を示す物質に形成された
入力光導波路、入力光導波路より分岐した２本の位相シ
フト光導波路、２本の位相シフト光導波路が合流して入
射する出力光導波路からなる分岐干渉型光導波路におい
て、２本の位相シフト光導波路のいずれか１本の位相シ
フト光導波路の近傍に永久磁石を設けた分岐干渉光導波
路型磁界センサを構成する。
【００１３】また、本発明は、２本の位相シフト光導波
路の近傍に設置した永久磁石の、材料、形状、大きさ、
位相シフト光導波路との相対位置、または磁化の向きの
少なくとも一つが互いに等しくない分岐干渉光導波路型
磁界センサを構成する。
路の近傍に設置した永久磁石の、材料、形状、大きさ、
位相シフト光導波路との相対位置、または磁化の向きの
少なくとも一つが互いに等しくない分岐干渉光導波路型
磁界センサを構成する。
【００１４】
【作用】本発明の磁界センサは、磁気複屈折効果を示す
物質を基板としその表面に形成した分岐干渉光導波路か
ら成っている。光導波路を導波する光は、その磁界強度
に応じてそれぞれ位相が変化する。
物質を基板としその表面に形成した分岐干渉光導波路か
ら成っている。光導波路を導波する光は、その磁界強度
に応じてそれぞれ位相が変化する。
【００１５】二つの導波光の間に有限の位相差が生じれ
ば、これらは合流することにより相互に干渉し、位相差
に応じて強度が変化した光として出射される。しかしな
がら、前述したように、二つの導波光の位相差を制御可
能な分岐干渉型磁界センサの製作は、現状ではきわめて
困難である。
ば、これらは合流することにより相互に干渉し、位相差
に応じて強度が変化した光として出射される。しかしな
がら、前述したように、二つの導波光の位相差を制御可
能な分岐干渉型磁界センサの製作は、現状ではきわめて
困難である。
【００１６】そこで、本発明は、磁界センサを構成する
位相シフト光導波路に、検出対象の磁界とは別の手段で
バイアス磁界を印加し、検出対象の磁界に対して、実質
的に動作点と、特性曲線上で光出力の最大値と最小値の
和の２分の１の点を一致させる。すなわち、図１におい
て特性曲線Ａを特性曲線Ｂまで平行移動させる。その結
果、特性曲線Ｂにおいて、最大と最小の中間の出力光強
度となる点が動作点ｂとなる。
位相シフト光導波路に、検出対象の磁界とは別の手段で
バイアス磁界を印加し、検出対象の磁界に対して、実質
的に動作点と、特性曲線上で光出力の最大値と最小値の
和の２分の１の点を一致させる。すなわち、図１におい
て特性曲線Ａを特性曲線Ｂまで平行移動させる。その結
果、特性曲線Ｂにおいて、最大と最小の中間の出力光強
度となる点が動作点ｂとなる。
【００１７】このとき、磁界センサが最も感度が高くか
つ直線性に優れた機能を有することは、前述のとおりで
ある。
つ直線性に優れた機能を有することは、前述のとおりで
ある。
【００１８】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照して説明
する。
する。
【００１９】（実施例１）図２は、本発明の実施例１に
おける分岐干渉光導波路型磁界センサ１０の概略平面図
である。（１１１）面を有するガドリニウム・ガリウム
・ガーネット（Ｇｄ3 Ｃａ5 Ｏ12）基板上にＬａ，Ｇａ
置換イットリウム・アイアン・ガーネット結晶１をエピ
タキシャル成長させ、面内磁化を有する単結晶薄膜を作
製した。
おける分岐干渉光導波路型磁界センサ１０の概略平面図
である。（１１１）面を有するガドリニウム・ガリウム
・ガーネット（Ｇｄ3 Ｃａ5 Ｏ12）基板上にＬａ，Ｇａ
置換イットリウム・アイアン・ガーネット結晶１をエピ
タキシャル成長させ、面内磁化を有する単結晶薄膜を作
製した。
【００２０】次に、フォトリソグラフィーにより分岐干
渉光導波路パターン部のフォトレジストを除去し、Ｔｉ
をスパッタしリフトオフによりフォトレジストを除去し
て、エッチング用のマスクとしてアルゴンイオンでエッ
チングし、リブ型光導波路である。入力光導波路２、位
相シフト光導波路３，４、出力光導波路５を作製した。
各光導波路の２ないし５の幅は５〜１０μｍ、高さは
０．５〜０．８μｍである。
渉光導波路パターン部のフォトレジストを除去し、Ｔｉ
をスパッタしリフトオフによりフォトレジストを除去し
て、エッチング用のマスクとしてアルゴンイオンでエッ
チングし、リブ型光導波路である。入力光導波路２、位
相シフト光導波路３，４、出力光導波路５を作製した。
各光導波路の２ないし５の幅は５〜１０μｍ、高さは
０．５〜０．８μｍである。
【００２１】さらに、バッファー層としてＳｉＯ2 膜を
スパッタにより作製し、一方の位相シフト光導波路の近
傍に幅１００μｍ、長さ３ｍｍの永久磁石６となるバリ
ウム・フェライト膜を設け、厚さ方向の直流飽和磁界中
で磁化させた。
スパッタにより作製し、一方の位相シフト光導波路の近
傍に幅１００μｍ、長さ３ｍｍの永久磁石６となるバリ
ウム・フェライト膜を設け、厚さ方向の直流飽和磁界中
で磁化させた。
【００２２】これに接続された光検出器の検出した光強
度により磁界測定を行い、０．５Ｏe の微小な磁界を検
出することができた。
度により磁界測定を行い、０．５Ｏe の微小な磁界を検
出することができた。
【００２３】（実施例２）図３は、本発明の実施例２に
おける分岐干渉光導波路型磁界センサ１０の概略平面図
である。実施例２は、一方の位相シフト光導波路の近傍
に幅１００μｍ、長さ２ｍｍの永久磁石６となるバリウ
ム・フェライト膜を、他の一方の位相シフト光導波路の
近傍に幅１００μｍ、長さ５ｍｍの永久磁石７となるバ
リウム・フェライト膜を設け、厚さ方向の直流飽和磁界
を印加し同一向きに磁化させた。５０Ｈｚの電流が流れ
ている導体の近傍にこの分岐干渉光導波路型磁界センサ
１０を設置し、これに接続された光検出器の検出した光
強度により磁界測定を行い、前記実施例１と同様に、
０．５Ｏe の微小な磁界を検出することができた。
おける分岐干渉光導波路型磁界センサ１０の概略平面図
である。実施例２は、一方の位相シフト光導波路の近傍
に幅１００μｍ、長さ２ｍｍの永久磁石６となるバリウ
ム・フェライト膜を、他の一方の位相シフト光導波路の
近傍に幅１００μｍ、長さ５ｍｍの永久磁石７となるバ
リウム・フェライト膜を設け、厚さ方向の直流飽和磁界
を印加し同一向きに磁化させた。５０Ｈｚの電流が流れ
ている導体の近傍にこの分岐干渉光導波路型磁界センサ
１０を設置し、これに接続された光検出器の検出した光
強度により磁界測定を行い、前記実施例１と同様に、
０．５Ｏe の微小な磁界を検出することができた。
【００２４】（実施例３）図４は、本発明の実施例３に
おける分岐干渉光導波路型磁界センサ１０の概略平面図
である。実施例３は、幅１００μｍ、長さ１．４ｍｍ、
厚さ５００μｍで、厚さ方向に磁化したバリウム・フェ
ライト永久磁石６，７を、各位相シフト光導波路の近傍
に、磁化が互いに逆向きになるように配置した。
おける分岐干渉光導波路型磁界センサ１０の概略平面図
である。実施例３は、幅１００μｍ、長さ１．４ｍｍ、
厚さ５００μｍで、厚さ方向に磁化したバリウム・フェ
ライト永久磁石６，７を、各位相シフト光導波路の近傍
に、磁化が互いに逆向きになるように配置した。
【００２５】５０Ｈｚの電流が流れている導体の近傍に
この分岐干渉光導波路型磁界センサ１０を設置し、これ
に接続された光検出器の検出した光強度により磁界測定
を行い、前記実施例１，２と同様に、０．５Ｏe の微小
な磁界を検出することができた。
この分岐干渉光導波路型磁界センサ１０を設置し、これ
に接続された光検出器の検出した光強度により磁界測定
を行い、前記実施例１，２と同様に、０．５Ｏe の微小
な磁界を検出することができた。
【００２６】本発明は、２本の位相シフト光導波路を通
る導波光の間に、制御された位相差を付与するための技
術を開示している。
る導波光の間に、制御された位相差を付与するための技
術を開示している。
【００２７】上述した実施例では磁気複屈折効果を示す
物質としてＬａ，Ｇａ置換イットリウム・アイアン・ガ
ーネット結晶を用いたものを例として説明したが、本発
明はこれのみに限定されるものではなく、他のイットリ
ウム・アイアン・ガーネット結晶、重フリントガラス等
を用いたものでもよい。
物質としてＬａ，Ｇａ置換イットリウム・アイアン・ガ
ーネット結晶を用いたものを例として説明したが、本発
明はこれのみに限定されるものではなく、他のイットリ
ウム・アイアン・ガーネット結晶、重フリントガラス等
を用いたものでもよい。
【００２８】また永久磁石して、バリウム・フェライト
以外の材料、たとえばマンガン・ビスマス（ＭｎＢ
ｉ）、白金鉄（Ｐｔ−Ｆｅ）などでもよい。
以外の材料、たとえばマンガン・ビスマス（ＭｎＢ
ｉ）、白金鉄（Ｐｔ−Ｆｅ）などでもよい。
【００２９】さらに、永久磁石の、厚さを含む形状、大
きさ、または永久磁石と位相シフト光導波路との間の位
置は、２本の位相シフト光導波路にかかる磁界強度を相
違させる要因である。ゆえに、これらの各要因を調整す
ることによっても目的を達することができる。
きさ、または永久磁石と位相シフト光導波路との間の位
置は、２本の位相シフト光導波路にかかる磁界強度を相
違させる要因である。ゆえに、これらの各要因を調整す
ることによっても目的を達することができる。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、検出対
象の磁界に対する動作点と、磁界センサの光出力の最大
値と最小値の和の２分の１の点を実質的に一致させるこ
とによって、バイアス磁界がゼロの状態の動作点ｂをも
とにした磁界の検出が可能となり、この結実として、微
小な磁界の検出が可能となり、高感度な分岐干渉光導波
路型磁界センサの実現に著しい効果を奏する。
象の磁界に対する動作点と、磁界センサの光出力の最大
値と最小値の和の２分の１の点を実質的に一致させるこ
とによって、バイアス磁界がゼロの状態の動作点ｂをも
とにした磁界の検出が可能となり、この結実として、微
小な磁界の検出が可能となり、高感度な分岐干渉光導波
路型磁界センサの実現に著しい効果を奏する。
【図１】印加される磁界強度と磁界センサの出力光強度
との関係を示す特性曲線。
との関係を示す特性曲線。
【図２】本発明の実施例１における分岐干渉光導波路型
磁界センサの概略平面図。
磁界センサの概略平面図。
【図３】本発明の実施例２における分岐干渉光導波路型
磁界センサの概略平面図。
磁界センサの概略平面図。
【図４】本発明の実施例３における分岐干渉光導波路型
磁界センサの概略平面図。
磁界センサの概略平面図。
【図５】従来の分岐干渉光導波路型磁界センサの一例の
斜視図。
斜視図。
１ Ｌａ，Ｇａ置換イットリウム・アイアン・ガーネ
ット結晶 ２ 入力光導波路 ３，４ 位相シフト光導波路 ５ 出力光導波路 ６，７ 永久磁石 １０ 分岐干渉光導波路型磁界センサ ２０ 基板 ２１ 入力光導波路 ２２ 出力光導波路 ２３，２４ 位相シフト光導波路 ２６ 入力光ファイバ ２７ 出力光ファイバ
ット結晶 ２ 入力光導波路 ３，４ 位相シフト光導波路 ５ 出力光導波路 ６，７ 永久磁石 １０ 分岐干渉光導波路型磁界センサ ２０ 基板 ２１ 入力光導波路 ２２ 出力光導波路 ２３，２４ 位相シフト光導波路 ２６ 入力光ファイバ ２７ 出力光ファイバ
Claims (2)
- 【請求項１】 磁気複屈折効果を示す物質に形成された
入力光導波路、該入力光導波路より分岐した２本の位相
シフト光導波路、該２本の位相シフト光導波路が合流し
て入射する出力光導波路からなる分岐干渉型光導波路に
おいて、前記２本の位相シフト光導波路の少なくとも１
本の位相シフト光導波路の近傍に永久磁石を設置したこ
とを特徴とする分岐干渉光導波路型磁界センサ。 - 【請求項２】 前記２本の位相シフト光導波路の近傍に
設置した永久磁石の、材料、形状、大きさ、位相シフト
光導波路との相対位置、または磁化の向きの少なくとも
一つが互いに等しくないことを特徴とする請求項１記載
の分岐干渉光導波路型磁界センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14789595A JP3521366B2 (ja) | 1995-06-14 | 1995-06-14 | 分岐干渉光導波路型磁界センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14789595A JP3521366B2 (ja) | 1995-06-14 | 1995-06-14 | 分岐干渉光導波路型磁界センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08338862A JPH08338862A (ja) | 1996-12-24 |
| JP3521366B2 true JP3521366B2 (ja) | 2004-04-19 |
Family
ID=15440591
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14789595A Expired - Fee Related JP3521366B2 (ja) | 1995-06-14 | 1995-06-14 | 分岐干渉光導波路型磁界センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3521366B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108008172A (zh) * | 2017-11-17 | 2018-05-08 | 东北电力大学 | 一种基于聚合物光波导电流互感器芯片 |
-
1995
- 1995-06-14 JP JP14789595A patent/JP3521366B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08338862A (ja) | 1996-12-24 |
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